熱光伏電池（thermophotovoltaic, TPV）與傳統(tǒng)的太陽能電池類似，但它們不是將太陽輻射轉化為電能，而是利用局部發(fā)射的熱輻射來發(fā)電。從熱輻射器發(fā)射出的高能光子（即所謂的帶內光子）會激發(fā)電池中的電子躍遷。這種光生載流子隨后被分離并提取為電。為了提高效率，熱光伏電池必須利用輻射熱源的大部分波段。然而，幾乎所有熱輻射都處于一個低能量波長范圍內，不能用于激發(fā)電子躍遷和產生電力。如果熱輻射器能夠對低能量光子進行反射并重新吸收，它們的能量就有機會在電池中促進光的產生。然而，目前的光子回收方法受到帶寬不足或寄生吸收的限制，相對理論極限存在著巨大的效率損失。
近日，密歇根大學的Stephen R. Forrest和Andrej?Lenert課題組合作，通過在In0.53Ga0.47As薄膜電池中嵌入一層空氣(一個空氣橋)，實現了對低能光子（帶外光子）近乎完美的反射（99%）。相對于現有的熱光伏電池，寄生吸收減少了四倍。用大約1455-K的碳化硅輻射器進行測試，絕對效率增益超過6%，從而導致了高達30%的功率轉換效率（power conversion efficiency, PCE）。當帶外反射率接近統(tǒng)一時，熱光電效率變得幾乎不受電池帶隙增加或輻射器溫度降低的影響。這種方法為重新評估之前無法進行熱光伏能量轉換的材料和熱源提供了可能，并以題為“Near-perfect photon utilization in an air-bridge thermophotovoltaic cell”的論文發(fā)表在《Nature》上。
【含有氣橋的熱光伏電池設計】
熱源輻射具有寬黑體光譜的光子。能量E大于半導體帶隙的光子被吸收并產生電流，而能量E<Eg的光子則會穿過熱光伏電池，被背表面反射器（back surface reflector, BSR）反射，然后再被發(fā)射器吸收（圖1a）。傳統(tǒng)的金反射器在每一個反射/重吸收循環(huán)下，于半導體和金界面處存在著5%的損耗。而低能光子在半導體-氣體（air）界面處呈現出極低損耗的菲涅耳反射，極少部分穿過該界面的光子隨后被金反射器進一步反射（圖1b）。相較于傳統(tǒng)的InGaAs薄膜熱光伏電池，氣橋熱光伏電池低能光子的損耗僅為1.1%（圖1c,d）。
圖1?熱光伏電池結構與低能光子損耗比較
【含有氣橋的熱光伏電池器件制備】
圖2a-d說明了在熱光伏電池中引入氣橋的方法。圖2e為含有氣橋的熱光伏電池圖片，8 μm的網格線覆蓋了整個器件。由于底部與頂部的網格線對齊，入射光子在穿過器件的活性層時只能遇到TPV-air界面。電鏡圖顯示氣橋在兩個支撐網格線之間沿著整個跨度均勻分布，沒有明顯的彎曲（圖2f,g）。
圖2?含有氣橋的熱光伏電池器件制備
【不同結構熱光伏電池器件光學性能對比】
通過傅里葉變化紅外光譜（Fourier transform infrared, FTIR）測試，基于金背表面反射器的傳統(tǒng)熱光伏電池的低能光子平均功率反射率為95.3%，而含有氣橋的器件達到了98.5%（圖3a）。傳統(tǒng)熱光伏電池的平均帶內功率吸收為63.6%，氣橋器件為61.2%（圖3b）。圖3c顯示含有氣橋的熱光伏電池器件的平均帶內外部量子效率達到了98.4%。光譜效率是整個熱光伏器件效率的關鍵因素，描述了帶內增強和抑制低能光子輻射傳輸的綜合效應。傳統(tǒng)的熱光伏器件光譜效率僅為59.8%，而氣橋器件達到了71.4%（圖3d）。
傳統(tǒng)金B(yǎng)SR和含有氣橋的熱光伏電池光學性能比較
【含有氣橋的熱光伏電池的性能】
?在不同光照條件下，每個器件的功率轉換效率如圖4a所示。傳統(tǒng)的金背面反射器的熱光伏電池功率轉換效率僅為23.4%，而含有氣橋的器件達到了32%，提升了8%。圖4b顯示器件的短路電流Jsc為1006?mA?cm-2,開路電壓Voc為0.455 V，質量因子為71.4%，最大功率輸出為326?mW?cm-2。圖4c表明開路電壓與短路電流成指數型相關。串聯(lián)電阻的存在導致了質量因子在低短路電流區(qū)上升，在高短路電流區(qū)下降（圖4d）。
熱光伏電池的功率轉換效率
總結：作者展示了一種具有近乎完美的光譜利用率的熱光伏電池，通過引入氣橋，光生載流子的損耗和寄生吸收僅為3%。器件具有接近99%的低能光子反射率，與當前最好的熱光伏電池相比，低能光子的吸收減少了四倍。用大約1455-K的碳化硅輻射器進行測試，絕對效率增益超過6%，從而導致了高達30%的功率轉換效率。這種氣橋設計實現了近乎完美的光子利用效率，推動了熱光伏電池的發(fā)展。
來源：高分子科學前沿
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